氨合成氣壓縮機組氮氣循環開車方案設計及優化

張 磊 李永華 孫洪玉 張曉暉

(1. 大連理工大學化工機械學院；2. 錦西天然氣化工有限責任公司)

離心式壓縮機已廣泛應用于合成氨項目中，根據合成氨生產工藝，離心式壓縮機一般包括合成氣壓縮機、氨壓縮機和與合成氨配套的尿素用二氧化碳壓縮機[1]。某化工廠的氨合成氣壓縮機組為多級離心式壓縮機，它以合成氣(74.81%的H2、24.94%的N2、0.25%的Ar)為工質進行設計，分兩缸四段十六級，第一、二段屬于低壓缸，第三、四段屬于高壓缸。以往，氨合成裝置每次冷態開車時，合成回路需要用合成氣預熱，達到催化劑起活溫度，此時所有工藝氣放空，時間長達16h，延長了裝置開車時間，也造成了合成氣的大量浪費，合成裝置停車時也存在著同樣的問題。

目前，針對離心式壓縮機變工況相似換算方面，文獻[2～4]介紹了相似理論在離心式壓縮機中的應用，基于試驗數據淺析了保持進/出口比容比不變和保持馬赫數相同兩種性能換算方法。文獻[5]研究了不同氣體絕熱指數不同對壓縮機性能的影響。但是，將相似理論運用到工程實際中制定技改方案的介紹甚少。

筆者為縮短開車時間、減少氨合成氣的浪費，提出合成熱回路氮氣循環升/降溫技改項目，并通過相似理論模化設計和程序模擬優化分析，制定了氨合成氣壓縮機組氮循環開車方案。

1 相似分析及關鍵技術參數確定

氨合成裝置開車改用氮氣循環升溫仍采用原工藝流程和設備。升溫期間，氮氣在合成回路中循環利用，由氨合成氣壓縮機組提供動力。保證氨合成氣壓縮機組在氮氣循環下穩定運行的升溫操作方案是該項目能否實施的關鍵。

1.1相似分析

氨合成氣壓縮機組采用氮氣循環開車，屬于同臺壓縮機變工況性能換算。為了嘗試采用離心壓縮機的模化設計法，首先應對兩種工況進行相似分析，將合成氣壓縮過程作為模型機，氮氣壓縮過程作為相似機，分析兩機相似的條件[6](在以下的分析計算中，模型機的所有參數均加“′”表示，相似機參數則不加)：

a. 幾何相似。由于是同臺壓縮機變工況性能換算，幾何相似自動滿足。

b. 運動相似。一般而言，只要滿足葉輪入口的速度三角形對應相似就可以滿足運動相似的要求，因為兩個壓縮過程是同臺壓縮機，且葉輪入口角度不變，故認為兩機運動相似。

d. 熱力相似。兩個離心壓縮過程的熱力相似條件為絕熱指數相等，依據熱力學計算[4]，k=1.400，k′=1.408，所以近似認為兩個壓縮過程熱力相似。

從以上分析可知，欲采用模化設計法計算氨合成氣壓縮機組在氮氣循環時的工藝參數，必須是基于特征馬赫數相等的相似換算。

1.2基于特征馬赫數相等的壓縮機工作轉速

查看工廠的操作規程，合成氣循環時壓縮機的工作轉速為11 245r/min，如前述，氮氣壓縮過程與合成氣壓縮過程若要滿足動力相似條件，則有n==58%n′，所以，氮氣循環的工作轉速：

n==58%·n′=58%×11245=6522r/min

對于撓性軸，為防止共振，必須滿足：

n>1.4n1=1.4×4600=6440r/min

其中，n1是合成氣壓縮機組第一臨界轉速，氮氣循環時合成氣壓縮機的工作轉速n=6522r/min，滿足防止共振的要求。

2 氮氣循環時合成氣壓縮機工藝參數的確定

查看工廠的操作規程，合成氣循環時壓縮機各段的狀態參數見表1。

表1 合成氣循環時壓縮機各段的狀態參數

2.1合成氣壓縮機入口流量確定

依據相似理論，氮氣循環時壓縮機的入口流量為：

=2820m3/h

2.2合成氣壓縮機入口壓力確定

采用氮氣對合成熱回路進行循環升溫，壓縮機四段的增壓主要用來克服合成熱回路的阻力，合成熱回路約經過15臺次設備，設每臺設備壓力降約為0.02MPa。為防止喘振的產生，第四段壓縮機進出口壓差應不小于0.30MPa，即：

p4出-p4入≥0.30MPa

經過工藝參數計算，氨合成氣壓縮機組在氮氣循環時的進口壓力應大于0.50MPa。

2.3氨合成氣壓縮機組其他工藝參數確定

根據離心式壓縮機模化設計法，計算氨合成氣壓縮機組在氮氣循環時的其他工藝參數，計算結果見表2。

表2 氮氣循環時壓縮機各段的狀態參數

注：段間冷卻器的壓降取0.02MPa；除第一段外，其余各段進口溫度同合成氣循環。

2.4氮氣循環時合成氣壓縮機組功率核算

根據模化設計法：

式中hpol——氮氣循環的多變過程功；

htot——氮氣循環的總功；

Ntot——氮氣循環的功率。

由計算結果可知，合成回路中氮氣循環時壓縮機做功和功率遠小于合成氣循環，滿足功率要求。

3 模擬計算及優化分析

3.1模擬計算

通過化工計算軟件對氨合成氣壓縮機組各工況進行模擬計算。圖1是模擬的氨合成氣壓縮機組工藝流程圖。

圖1 氨合成氣壓縮機組工藝流程

表3給出了廠家提供的設計參數值和合成氣循環下壓縮機設計工況的模擬計算值。

表3 合成氣循環時設計參數和模擬計算值對比

通過對比可以看出廠家提供的設計參數和模擬計算值十分吻合，說明模擬計算結果可信。

筆者運用化工計算軟件對氮氣循環下的氨合成氣壓縮機組進行模擬計算，表4給出了氮氣循環時氨合成氣壓縮機組相似換算值和模擬計算值。由表4看出，氮氣循環工況下的相似換算值和模擬值之間的偏差不超過2%。

表4 氮氣循環計算值和模擬值對比

3.2氮氣循環下方案優化

利用化工計算軟件模擬不同轉速、不同流量工況下氨合成氣壓縮機組各段狀態參數，并進行方案比較與優化：

a. 將方案一流量減少20%，轉速不變，稱為方案二。模擬計算結果為，由于壓縮比增大，各段溫升大于方案一，氨合成氣壓縮機組存在超溫的可能性。

b. 將方案一流量增加20%，轉速不變，稱為方案三。模擬計算結果為，各段溫升比方案一減小，但四段出口與入口的壓力差Δp4=p4出-p4入=3.442-3.247=0.195MPa<0.300MPa。不能滿足克服氨合成熱回路阻力的要求。

c. 改變轉速為6 848r/min，相當于合成氣循環時壓縮機組的最高轉數速11 807r/min，進口流量與方案一相同，稱為方案四。模擬計算結果為，由于壓縮比增大，各段溫升大于方案一，氨合成氣壓縮機組存在超溫的可能性。

綜合比較氮氣循環時氨合成氣壓縮機組的各運行方案，方案一為適宜方案，工藝控制參數見表5。

表5 氮氣循環時氨合成氣壓縮機組的工藝控制參數

4 工程驗證

合成氨裝置采用氮氣循環，氨合成氣壓縮機組按照方案一給定的工藝控制參數開車運行，機組運行穩定，振動、位移和機組各段軸瓦溫度都在正常范圍內。極大地縮短了開車時間，大量減少了合成氣的浪費，節約成本。

5 結束語

氨合成裝置的傳統開停車過程會消耗大量的原料氣并且耗費較長的時間。針對這一問題，筆者利用相似理論模化設計和程序模擬優化分析對某工廠氨合成裝置開停車方案進行了技術改造。通過相似理論模化設計，分析了利用氨合成氣壓縮機組在氮氣循環開車運行時的關鍵技術參數，在此基礎上編制了氮氣循環升溫的操作方案。利用程序模擬，分析了各個方案的可行性，并選出了最優方案，實際的開車過程驗證了所選方案的可行性和經濟性，可以為類似的開停車過程提供方案指導，具有借鑒意義。

[1] 魏煥景，唐鴻，馬如芬.淺談大型合成氨項目中離心式壓縮機聯合廠房的布置[J].化肥設計，2013，51(1)：17～20.

[2] 卿德藩.多級離心式壓縮機在不完全相似工況下性能換算及應用[J].現代機械，2002，(2)：33～34.

[3] 朱昌允，秦國良，吳讓利.基于試驗的離心壓縮機兩種相似換算的比較[J].風機技術，2011，24(1)：24～27．

[4] 孔憲方，湖濱，張鐵柱.相似理論在離心式壓縮機變工況中的應用[J].機械工程師，1997，(3)：38～39.

[5] Roberts S K，Sjolander S A.Effect of the Specific Heat Ratioon the Aerodynamic Performance of Turbomachinery[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2005，127(4)：773～ 780.

[6] 劉志軍，喻健良，李志義.過程機械[M].北京：化學工業出版社，2008：39～41.